羅蘭兵 張 潔 程虎軍 顏 良

(英洛瓦物探裝備有限責(zé)任公司 天津 072751)

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·儀器設(shè)備與應(yīng)用·

可控震源高效采集在地震儀器中的實(shí)現(xiàn)方法分析*

羅蘭兵 張 潔 程虎軍 顏 良

(英洛瓦物探裝備有限責(zé)任公司 天津 072751)

可控震源高效采集技術(shù)已逐步成為勘探市場(chǎng)所關(guān)注、推廣的一項(xiàng)核心技術(shù)。文章從地震儀器的角度，介紹可控震源高效采集技術(shù)的實(shí)現(xiàn)機(jī)理，分析實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)，并探討了當(dāng)前存在的問(wèn)題。

可控震源；高效采集；地震儀器；海量數(shù)據(jù)

0 引 言

20世紀(jì)50年代，前蘇聯(lián)及美國(guó)Conoco石油公司首次將可控震源技術(shù)應(yīng)用于地震勘探[1]?？煽卣鹪磻{借其激發(fā)信號(hào)可控、安全環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，逐漸成為主要的施工震源[2、3]。為了提高施工效率，人們首先應(yīng)用類(lèi)似井炮的交替掃描技術(shù)(Flip-Flop)，日效最高可達(dá)2000炮[1]；1996年，Rozemond率先應(yīng)用滑動(dòng)掃描技術(shù)(Slip-sweep)，生產(chǎn)效率提高2倍多[4]，但這種施工方式會(huì)在記錄中產(chǎn)生交疊部分，形成諧波干擾；隨著可控震源控制技術(shù)及地震數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，各種諧波壓制技術(shù)的廣泛應(yīng)用推動(dòng)了高效采集技術(shù)的發(fā)展。在此基礎(chǔ)上，接連出現(xiàn)V1、DS3、ISS等高效采集技術(shù)[5～7]。本文從地震儀器的角度，介紹可控震源高效采集技術(shù)的實(shí)現(xiàn)機(jī)理，分析實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)，并探討當(dāng)前存在的問(wèn)題。

1 可控震源高效采集實(shí)現(xiàn)機(jī)理

目前，在勘探生產(chǎn)中常用的可控震源高效采集技術(shù)有：交替掃描、滑動(dòng)掃描、DSSS和ISS。其中，交替掃描是兩組或多組震源交替施工[3]；滑動(dòng)掃描是多組震源以滑動(dòng)時(shí)間為間隔依次施工[4]；DSSS是多組震源按一定距離間隔分布、同步滑動(dòng)施工[5]；ISS是多組震源分別在指定施工區(qū)域獨(dú)立施工[7]。

不論采集何種施工方式，其實(shí)現(xiàn)機(jī)理是相通的。均是通過(guò)地震儀器按一定的時(shí)距規(guī)則激發(fā)管理可控震源，可控震源完成掃描作業(yè)后返回放炮信息，然后由地震儀器從記錄數(shù)據(jù)中根據(jù)放炮信息提取單炮記錄。不同的高效采集技術(shù)的主要差異就在時(shí)距規(guī)則的制定：交替掃描下震源的激發(fā)必須保證在上一炮記錄完成時(shí)才能進(jìn)行；滑動(dòng)掃描下震源間必須確保指定的滑動(dòng)時(shí)間間隔；DSSS中同步激發(fā)的震源必須保障不小于12 km的間隔，同時(shí)還需要保障滑動(dòng)時(shí)間；ISS則需要確保分區(qū)的獨(dú)立，相鄰震源間使用弱相關(guān)性的掃描信號(hào)。

通過(guò)對(duì)比分析，匯總不同高效采集模式下地震儀器的技術(shù)需求，見(jiàn)表1。

表1 不同高效采集模式下的技術(shù)特點(diǎn)

由此可見(jiàn)，對(duì)地震儀器而言，要實(shí)現(xiàn)可控震源高效采集必須解決以下四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：

1)源通信控制技術(shù)。震源的激發(fā)、放炮信息的回收均是通過(guò)儀器與震源間的通訊控制實(shí)現(xiàn)的。通信能力決定著震源管理數(shù)量，控制技術(shù)決定著施工效率。隨著高效采集下震源組數(shù)成倍增長(zhǎng)，對(duì)該技術(shù)提出了更高要求。

2)全網(wǎng)GPS同步技術(shù)。震源和地震儀器是兩個(gè)分立的設(shè)備，震源的每炮激發(fā)都以GPS時(shí)刻標(biāo)識(shí)。地震儀器只有實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)GPS同步才能保證激發(fā)與記錄的同步，使數(shù)據(jù)統(tǒng)一在GPS時(shí)刻下。

3)超級(jí)排列連續(xù)采集技術(shù)。在高效采集下，炮與炮之間沒(méi)有明確的時(shí)間間隔，同時(shí)震源間距要求地面排列保證足夠大的施工覆蓋。因此超級(jí)排列連續(xù)采集技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高效采集技術(shù)的基礎(chǔ)。

4)海量炮數(shù)據(jù)分離技術(shù)。高效采集下，超級(jí)排列、連續(xù)采集的應(yīng)用，使得地震數(shù)據(jù)幾何級(jí)增長(zhǎng)，而且需要保障數(shù)據(jù)接收的同時(shí)完成多個(gè)炮數(shù)據(jù)的分離處理。處理的延時(shí)將制約效率的提升。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 源通信控制技術(shù)

源通信控制技術(shù)中，通信能力的實(shí)現(xiàn)基于儀器所使用的編碼掃描發(fā)生器及所配置的通信電臺(tái)；控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)基于編碼器的通信協(xié)議及電臺(tái)的帶寬及調(diào)制方式。目前在野外施工中常用兩類(lèi)技術(shù)方案：TDMA電臺(tái)方案和UHF/VHF模擬電臺(tái)方案。

TDMA電臺(tái)是利用TDMA(Time Division Multiple Access) 時(shí)分多址技術(shù)，如圖1所示。把時(shí)間分割成周期性的幀(frame)，每一個(gè)幀再分割成若干個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙分配給一個(gè)震源組；由震源組上的從電臺(tái)向儀器上的主電臺(tái)發(fā)送信號(hào)；在GPS提供定時(shí)和同步的條件下，儀器上的主電臺(tái)可以分別在各時(shí)隙中接收到各震源組的信號(hào)而不混淆；同時(shí)，儀器向多個(gè)震源發(fā)送的信號(hào)，也都按順序安排在預(yù)定的時(shí)隙中傳輸，各震源組只要在指定的時(shí)隙內(nèi)接收，就能在合路的信號(hào)中把發(fā)給它的信息區(qū)分并接收下來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)儀器對(duì)多組震源的通信控制。

圖1 源通信TDMA方案示意圖

VHF/UHF模擬電臺(tái)，相比普通模擬電臺(tái)使用了更高的通訊頻率，使用了高頻載波的負(fù)載能力更強(qiáng)，能有效提高通訊帶寬，滿足數(shù)據(jù)通訊要求。普通模擬電臺(tái)只需要滿足基本的語(yǔ)音通訊要求，波特率一般為12 K Baud/s；VHF/UHF模擬電臺(tái)可工作在50 K Baud/s下，最高可達(dá)80 K Baud/s；因此同樣的數(shù)據(jù)量，VHF/UHF模擬電臺(tái)可用更短的時(shí)間完成交互，從而保證在一個(gè)放炮間隔內(nèi)完成對(duì)所有震源組的狀態(tài)輪詢，確保地震儀器對(duì)多組震源的實(shí)時(shí)管理。

綜上，TDMA電臺(tái)利用并發(fā)功能管理更多的震源組，而VHF/UHF模擬電臺(tái)通過(guò)提高傳輸帶寬輪詢管理更多的震源組，從不同的角度解決了高效采集下震源組增加的問(wèn)題，保障了地震儀器與震源組之間的信息交互。然而隨著施工范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大，從傳統(tǒng)的15 km擴(kuò)展至25 km～30 km，現(xiàn)有的通信技術(shù)在通信距離、覆蓋范圍上又迎來(lái)新的挑戰(zhàn)。目前人們正通過(guò)電臺(tái)中繼的方式提高通信距離，同時(shí)也在探討3G、4G等最新通信技術(shù)的可行性。

2.2 全網(wǎng)GPS同步技術(shù)

對(duì)于節(jié)點(diǎn)地震儀器，通過(guò)給所有站體設(shè)備配備GPS模塊實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)GPS同步。而對(duì)于有線地震儀器，考慮到設(shè)備成本和站體功耗，通常只在儀器主機(jī)上安裝GPS，然后通過(guò)時(shí)鐘鎖定、延遲標(biāo)定等方式實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)GPS同步，同步過(guò)程如圖2所示。

圖2 全網(wǎng)GPS同步示意圖

全網(wǎng)時(shí)鐘包含三個(gè)部分：GPS時(shí)鐘、儀器主機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘、站體時(shí)鐘。其中GPS時(shí)鐘由外接的GPS模塊提供；儀器主機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘由主機(jī)里的CPU提供；地面站體時(shí)鐘由站體內(nèi)置的高精度晶振提供。地面站體通過(guò)延遲測(cè)試可以得到每個(gè)站體與儀器系統(tǒng)時(shí)鐘的時(shí)間，通過(guò)時(shí)鐘恢復(fù)技術(shù)對(duì)站體時(shí)鐘做補(bǔ)償，從而保證與儀器主機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘同步，但此時(shí)的站體時(shí)鐘還不包含GPS時(shí)刻信息；GPS模塊提供秒脈沖和TimeMark時(shí)刻信息，儀器主機(jī)通過(guò)時(shí)鐘鎖定將秒脈沖的脈沖沿與系統(tǒng)時(shí)鐘的時(shí)鐘沿對(duì)齊，并將TimeMark信息GPS時(shí)刻與秒脈沖綁定，從而實(shí)現(xiàn) GPS時(shí)刻與儀器主機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘以及站體時(shí)鐘的同步標(biāo)定。

然而在實(shí)際施工生產(chǎn)中，由于復(fù)雜地形或惡劣環(huán)境，可能出現(xiàn)沒(méi)有GPS信號(hào)或信號(hào)較弱的情況。人們正在探討應(yīng)用差分GPS參考站，完善全網(wǎng)GPS同步技術(shù)。

2.3 超級(jí)排列連續(xù)采集技術(shù)

相對(duì)于常規(guī)施工方式，可控震源高效采集是多個(gè)炮點(diǎn)同時(shí)采集或激發(fā)，因此需要更多的排列進(jìn)行采集，通常是常規(guī)施工單炮記錄道數(shù)的3至4倍以上，如果是DS3方式則需要的道數(shù)更多，因此要實(shí)現(xiàn)單炮2至3萬(wàn)道記錄的可控震源高效采集施工，地震儀器的實(shí)時(shí)帶道能力將需要10萬(wàn)道以上。因此，超級(jí)排列連續(xù)采集技術(shù)需要支持更高的系統(tǒng)實(shí)時(shí)道能力和排列實(shí)時(shí)道能力。

對(duì)于排列實(shí)時(shí)道能力，隨著光纖技術(shù)的廣泛運(yùn)用，光纜交叉線的實(shí)時(shí)道能力已經(jīng)達(dá)到萬(wàn)道以上。通過(guò)多組交叉線的使用，野外排列的布設(shè)已經(jīng)可以達(dá)到數(shù)十萬(wàn)道以上。而對(duì)于系統(tǒng)實(shí)時(shí)道能力，隨著IT技術(shù)的發(fā)展，儀器主機(jī)應(yīng)用萬(wàn)兆網(wǎng)絡(luò)提高系統(tǒng)的接入流量；應(yīng)用磁盤(pán)陣列擴(kuò)展系統(tǒng)的存儲(chǔ)容量；使用高性能服務(wù)器提升系統(tǒng)處理能力；從接入、處理、存儲(chǔ)等方面保障數(shù)十萬(wàn)道超級(jí)排列實(shí)時(shí)的連續(xù)采集施工。

目前，儀器主機(jī)已經(jīng)達(dá)到每天TB級(jí)的數(shù)據(jù)處理能力，管理數(shù)十萬(wàn)道甚至百萬(wàn)道的野外排列。隨著排列道數(shù)的增長(zhǎng)，超級(jí)排列連續(xù)采集技術(shù)的研究重點(diǎn)逐步由擴(kuò)展道能力過(guò)渡到保障排列穩(wěn)定性、可靠性，縮短異常處理時(shí)間，保障高效采集的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.4 海量炮數(shù)據(jù)分離技術(shù)

海量炮數(shù)據(jù)分離技術(shù)通過(guò)搭建多核多任務(wù)主機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)合理調(diào)配計(jì)算資源，充分利用高性能服務(wù)器的多核多線程能力，并發(fā)處理海量炮數(shù)據(jù)，縮短數(shù)據(jù)處理耗時(shí)，提高施工效率。

多核多任務(wù)主機(jī)系統(tǒng)如圖3所示，在應(yīng)用層，將數(shù)據(jù)采集、處理等業(yè)務(wù)劃分為多個(gè)相互獨(dú)立的任務(wù)；在操作系統(tǒng)層，通過(guò)CPU資源調(diào)配，為每項(xiàng)任務(wù)配備進(jìn)程管理，對(duì)于子任務(wù)還可分配獨(dú)立線程；在物理層，為每項(xiàng)進(jìn)程合理分配CPU計(jì)算資源。在超級(jí)排列連續(xù)采集工作狀態(tài)下，地震數(shù)據(jù)不斷涌入，但對(duì)于單炮數(shù)據(jù)的處理可以相對(duì)獨(dú)立，因此在從連續(xù)記錄中抽取炮數(shù)據(jù)的過(guò)程中，可以為每個(gè)單炮數(shù)據(jù)分配一個(gè)處理線程，提高并發(fā)數(shù)和處理效率，縮短處理周期，避免因?yàn)樘幚頊髮?dǎo)致的接入數(shù)據(jù)阻塞。

圖3 海量炮數(shù)據(jù)分離示意圖

隨著高效采集技術(shù)的發(fā)展，人們提出了更高的要求，如現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)的質(zhì)量監(jiān)控。功能的增加要求海量炮數(shù)據(jù)分離技術(shù)不但要提升系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力，還需要系統(tǒng)模塊更加靈活從而應(yīng)對(duì)不同的施工要求。

3 結(jié) 論

隨著可控震源高效采集廣泛應(yīng)用，該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成為勘探市場(chǎng)所關(guān)注、推廣的一項(xiàng)核心技術(shù)。通過(guò)對(duì)高效采集流程機(jī)理的分析，只有確保地震儀器采集與震源激發(fā)的同步、儀器對(duì)多組可控震源的管理、超級(jí)排列的數(shù)據(jù)連續(xù)記錄及處理，才能保障高效采集技術(shù)的順利實(shí)施。

通過(guò)對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的分析，地震儀器在源通信控制技術(shù)、全網(wǎng)GPS同步技術(shù)、超級(jí)排列連續(xù)采集技術(shù)和海量炮數(shù)據(jù)分離技術(shù)上仍有提升的空間，從施工效率和數(shù)據(jù)品質(zhì)上支撐可控震源高效采集技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

[1] 凌 云，高 軍，孫德勝.可控震源在地震勘探中的應(yīng)用前景與問(wèn)題分析[J].石油物探，2008,47(5)：425-438.

[2]陶知非，蘇振華，趙永林.可控震源低頻信號(hào)激發(fā)技術(shù)的最新進(jìn)展[J].物探裝備，2010, 20(1)：1-5.

[3]倪宇東，王井富，馬 濤.可控震源地震采集技術(shù)的進(jìn)展[J].石油地球物理勘探，2011, 46(3)：349-356.

[4]Rozemond, H.J. Slip-sweep acquisition[J]. SEG Technical Program Expanded Abstracts, 1996,15：64-67.

[5] JackBouska. Distance separated simultaneous sweeping for fast clean vibroseis acquisition[J]. Geophysical prospecting, 2010, Vol.58：123-153.

[6]Jean-Jacques Postel, Julien Meunier, Thomas Bianchi, et. V1: Implementation and application of single-vibrator acquisition[J]. The Leading Edge, 2008：604-608.

[7] Ian Jack, Brian Taylor, Dave Howe, et. Independent simultaneous sweeping - a method to increase the productivity of land seismic crews[J]. SEG Technical program expanded abstracts, 2008, Vol.27：2826-2830.

Realization of HPVS in Seismic Data Acquisition System

LUO Lanbing ZHANG Jie CHENG Hujun YAN Liang

(INOVAGeophysical，Tianjing072751,China)

High-productivity vibroseis is becoming a core technique in seismic market. From the view of instrument tech, the paper reviews realization mechanism of different high-productivity vibroseis modes, analyzes the key techniques and discusses the remained problems.

vibrator， high-productivity vibroseis， seismic instrument， mass data

“十二五”國(guó)家重大科技專項(xiàng)項(xiàng)目：新一代一體化全數(shù)字地震儀器。課題編號(hào)：2011ZX05019-002。

羅蘭兵，男，1970年生，高級(jí)工程師，1991年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院地震儀器及測(cè)量技術(shù)專業(yè)，現(xiàn)為東方地球物理公司科技帶頭人，長(zhǎng)期從事地震儀器應(yīng)用及研發(fā)工作。E-mail:Luo.Lanbing@inovagen.com

P631.4+37

B

2096-0077(2015)01-0087-03

2014-12-15 編輯：韓德林)